科学通报 | 强金属-载体相互作用（SMSI）在电催化硝酸盐还原产氨（NRA）领域的应用

近日，湖南大学赖萃教授团队与中南林业科技大学胡熙副教授团队在《科学通报》发表了题为“强金属-载体相互作用（SMSI）在电催化硝酸盐还原产氨（NRA）领域的应用”的综述文章。该文系统梳理了电催化硝酸盐产氨（NRA）反应的作用机制，系统阐释了具备不同SMSI的负载型催化剂的调控机制，并探讨了应用于NRA反应的SMSI的先进表征与理论计算方法，为设计高效、稳定的催化剂提供了新思路，有望推动硝酸盐污染治理与资源化利用技术的发展。

硝酸盐污染：不容忽视的环境与健康威胁

硝酸盐广泛存在于地表水和地下水中，主要来源于农业化肥、工业废水及化石燃料燃烧等。过量的硝酸盐不仅破坏水体生态，进入人体后还可能转化为亚硝酸盐，增加致癌风险。世界卫生组织已将饮用水中硝酸盐浓度列为重要控制指标。传统的硝酸盐处理技术如离子交换、反硝化等，存在成本高、工艺复杂、易产生二次污染等问题。电催化硝酸盐还原产氨技术（NRA）因其操作简便、环境友好、能同步实现污染物去除与氨资源回收而备受关注。该技术利用电能驱动，将水中的硝酸盐直接转化为氨，后者既是重要化工原料，也可作为肥料或储能介质。然而，NRA反应过程复杂，容易产生氮气（N2）、一氧化二氮（N2O）等副产物，且常与析氢反应（HER）竞争，导致产氨（NH3）效率和选择性不理想。

破解难题的关键：强金属-载体相互作用（SMSI）

研究指出，提升NRA性能的核心在于负载型催化剂设计。近年来，负载型金属催化剂因其可调控的活性位点和金属载体效应成为研究热点。其中，“强金属-载体相互作用”现象尤为关键：在特定条件（如高温还原条件）下，载体材料可部分包覆金属纳米颗粒（NPS）或单原子（SACs），形成紧密的金属-载体界面。主要的作用机制有以下三种：(1) 提高金属活性位点的稳定性，防止其团聚失活; (2) 促进金属与载体间的电子转移，调节界面电子结构，增强对硝酸盐（NO3－）及反应中间体的吸附; (3) 扩展金属载体活性界面，增加金属与载体的接触面，形成了更多界面活性位点。

此外本研究系统梳理了SMSI的多种类型及其作用机制，包括经典SMSI（C-SMSI）、氧化型SMSI（O-SMSI）、湿化学SMSI（WC-SMSI）等，并阐述了如何通过界面工程、晶面调控、尺寸控制和客体掺杂等方法，精准调控负载型催化剂俄SMSI效应，从而优化负载型催化剂的NRA活性、选择性和稳定性（图1）。

图1 强金属载体相互作用（SMSI）在电催化硝酸盐还原产氨（NRA）领域的应用

技术利器：先进表征与理论计算揭示机理

为了深入理解SMSI的作用机制，研究团队强调了先进表征技术与理论计算相结合的重要性。透射电子显微镜（TEM）、X射线吸收光谱（XAS）、X射线光电子能谱（XPS）等手段能够直观揭示金属-载体界面的结构、活性位点化学状态和电子转移情况。密度泛函理论计算则可模拟反应路径、NRA中间产物吸附能变化和SMSI对活性位点电子结构的影响，从原子层面阐释SMSI如何降低NRA反应能垒、促进目标产物NH3生成（图2）。

图2 应用于 NRA 的 SMSI 的表征技术与理论计算

此外，本文系统阐述了SMSI的机制形成理论，主要涉及热力学概念下的金属载体界面表面能（△Gs）最小化，以及衍生出的金属合金形成和氧化物载体表面迁移机制，由此引出了SMSI与调控工程在NRA领域的最新协同增强机制。

未来展望：多尺度表征手段与双电极电催化耦合系统开发

尽管SMSI在提升NRA性能方面展现出巨大潜力，但综述也指出当前研究仍面临一些挑战，包括SMSI定义与判据需进一步明确、金属/载体组合有待拓展、与实际反应系统的集成度不足等。

面向未来，研究团队建议：(1) 利用多尺度理论建模与机器学习，指导高性能SMSI催化剂的定向设计; (2) 发展原位、动态表征技术，实时追踪SMSI形成与催化过程; (3) 开发与甘油氧化、硫氧化等低能耗阳极反应耦合的集成系统，提升整体能效; (4) 探索固相电解质反应器，简化产物分离流程，推动技术走向实际应用。

该综述系统总结了SMSI在电催化硝酸盐还原产氨领域的原理、负载型催化剂的设计与应用，为从事水处理、电催化、新能源材料研究的科技工作者提供了重要参考，以期在环境污染控制与资源循环利用的前沿交叉领域取得扎实的理论积累与技术洞察。

文章信息

罗宇璨, 赖萃, 胡熙, 马登省, 霍秀琴, 郑沛源, 徐贤媛, 罗文枭. 强金属载体相互作用在电催化硝酸盐还原产氨领域的应用. 科学通报, 2026, 71(26): 6213-6237.

Luo Yucan, Lai Cui, Hu Xi, Ma Dengsheng, Huo Xuqin, Zheng Peiyuan, Xu Xianyuan，Luo Wenxiao. Application of metal-support interaction for electrocatalytic nitrate reduction to ammonia production (in Chinese). Chinese Science Bulletin, 2026, 71(26): 6213-6237. DOI: 10.1360/CSB-2025-5621.

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